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Les
piles et accumulateurs sont des dispositifs qui fournissent
de l'énergie électrique à partir d'énergie
chimique. Ce sont des générateurs électrochimiques.
Ils sont constitués d'un électrolyte dans
lequel baigne deux électrodes : une électrode
positive (anode) et une électrode négative
(cathode). L'électrolyte est un conducteur ionique.
Sur la cathode, un oxydant est réduit en captant
des électrons ; sur l'anode, un réducteur
est oxydé en libérant des électrons.
Si l'on relie les électrodes par un conducteur, comme
un fil électrique, il y passe un courant électrique.
Les piles électriques, que l'on appelle également
« piles », ou générateurs primaires,
déchargent leur énergie électrique
sans pouvoir reconstituer le produit chimique sous sa forme
originale. La réaction chimique qui se déroule
au sein de telles piles est donc irréversible. Les
accumulateurs, ou générateurs secondaires,
sont rechargeables : ils peuvent reconstituer le composé
chimique si on leur apporte de l'énergie électrique
extérieure, avec un courant de sens opposé
au courant de charge.
PILES ÉLECTRIQUES OU GÉNÉRATEURS PRIMAIRES
La forme la plus commune des générateurs primaires
est la pile Leclanché, ou pile au bioxyde de manganèse-zinc,
inventée par le chimiste français Georges
Leclanché dans les années 1870. L'électrolyte
est un mélange à base de chlorure d'ammonium
et de chlorure de zinc. L'électrode négative
soluble est constituée de zinc ; l'électrode
positive est une plaque de charbon de cornue entourée
d'un mélange de bioxyde de manganèse. Cette
pile a une force électromotrice de 1,5 V et débite
des courants de faible intensité. Elle existe sous
quatre formes commerciales : trois piles cylindriques de
diamètre différent et une pile plate de 4,5
V. La pile Leclanché a été améliorée,
en particulier par Féry. On a ensuite construit des
piles à liquide immobilisé par une substance
absorbante, ou piles sèches, que l'on utilise beaucoup
actuellement.
Parmi
les générateurs primaires les plus employés,
on peut également citer la pile alcaline à
l'oxyde de mercure-zinc, introduite pendant la Seconde Guerre
mondiale. Elle peut être fabriquée sous la
forme d'un petit disque, et est utilisée sous cette
forme dans les prothèses auditives et en photographie.
L'électrode négative est constituée
de zinc, l'électrode positive, d'oxyde de mercure,
et l'électrolyte est une solution d'hydroxyde de
potassium.
De nombreuses
recherches sont menées pour améliorer la fiabilité,
la durée de vie et l'énergie massique de ces
piles. On étudie en particulier les piles au lithium,
les piles zinc-air et les piles à électrolyte
organique ou solide.
ACCUMULATEURS
OU GÉNÉRATEURS SECONDAIRES
Accumulateur au plomb
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Inventé
en 1859 par le physicien français Gaston Planté,
l'accumulateur emmagasine de l'énergie qu'il restitue
selon les besoins. Il peut être rechargé
lorsque l'on inverse la réaction chimique ; c'est
ce qui le différencie des piles électriques.
L'accumulateur découvert par Planté était
un accumulateur au plomb, ou batterie au plomb, toujours
très utilisé aujourd'hui. Il est constitué
d'un empilage d'électrodes positives, de séparateurs
et d'électrodes négatives placés
dans un bac couvert. Il peut délivrer un courant
électrique intense (de 100 à 500 A), mais
se décharge rapidement.
L'électrolyte
est une solution diluée d'acide sulfurique, l'électrode
négative est une plaque remplie de plomb «
spongieux » ; l'électrode positive est une
plaque contenant une pâte d'oxyde de plomb. Les
séparateurs sont des feuilles rectangulaires, placées
entre les plaques positives et les plaques négatives.
Elles doivent, entre autres :
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être constituées d'un isolant parfait ;
- avoir une grande perméabilité aux ions
porteurs du courant ;
- avoir une porosité élevée ;
- présenter une bonne tenue à l'acide sulfurique.
En
fonctionnement, l'électrode négative au
plomb produit des électrons libres et des cations
(ions positifs) de plomb. Les électrons parcourent
le circuit électrique extérieur et les cations
de plomb se combinent avec les anions (ions négatifs)
sulfates dans l'électrolyte, pour former le sulfate
de plomb. Lorsque les électrons retournent dans
la cellule par l'électrode positive, une nouvelle
réaction a lieu. L'oxyde de plomb se combine avec
les ions hydrogène dans l'électrolyte et
avec les électrons pénétrant dans
la cellule pour former de l'eau et libère des cations
de plomb dans l'électrolyte pour former du sulfate
de plomb.
Une
batterie au plomb se décharge lorsque l'acide sulfurique
se transforme progressivement dans l'eau et que les électrodes
se transforment en sulfate de plomb. Lorsque la cellule
est rechargée, les réactions chimiques décrites
précédemment s'inversent jusqu'à
ce que les produits chimiques aient retrouvé leur
état originel. Une batterie au plomb a une durée
de vie utile d'environ quatre ans. La capacité
de l'accumulateur est le produit de l'intensité
de décharge par la durée de fonctionnement
; elle s'exprime en Ah et correspond à la quantité
d'électricité que le dispositif peut restituer.
On définit également la capacité
massique de l'accumulateur : c'est la capacité
de l'accumulateur par kilogramme de réactif chimique
utilisé. Les batteries au plomb les plus performantes
fournissent environ 30 Ah/kg, et de 40 à 45 Wh/kg
(énergie massique), lors d'une décharge
totale durant cinq heures. Aux basses températures
(inférieures à - 18 °C), la capacité
d'un accumulateur diminue.
Accumulateur
alcalins
Ils
existent sous deux formes : les accumulateurs au nickel-cadmium
et les accumulateurs à l'argent-zinc.
Accumulateurs au nickel-cadmium et au nickel-fer:
Ils résultent des travaux de l'Américain
Thomas Edison et de différents scientifiques français
dans les années 1900. Le principe de fonctionnement
de ces accumulateurs est analogue à celui de la
batterie au plomb. Les seules différences : les
électrodes sont des plaques d'hydrate de nickel
et de cadmium, ou d'hydrate de nickel et de fer ; l'électrolyte
est une solution d'hydroxyde de potassium (potasse), qui
sert uniquement à assurer le transfert des ions.
La tension aux bornes de ces accumulateurs est de 1,25
V. Ils débitent des courants de grande intensité,
mais ont une durée de vie assez courte.
Accumulateurs à l'agent-zinc:
Ils ont été mis au point en 1941, par H.
André. L'électrolyte est une solution de
potasse dans laquelle plongent l'électrode positive,
essentiellement en oxyde d'argent, et une électrode
négative à base de zinc. Aux bornes de ces
accumulateurs, on mesure une tension de 1,5 V. Ils ont
une énergie massique de 120 Wh/kg, soit 3 fois
celle des accumulateurs précédents. Cependant,
en raison de leur coût élevé, on les
utilise pour des applications spécifiques.
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La
capacité s'exprime en Ampère x heure
(Ah).
La
quantité de courant s'exprime en coulomb
(C).
1 Coulomb = 1 ampère x 1 seconde soit Q
= I x t et 1 Ah = 3600 C.
La
quantité de courant libérée ou absorbée
dans une réaction chimique pour une valence gramme
est de 96500 coulombs (Loi de Faraday).
Soit: 96500 / 3600 = 26,8 Ah
Valence gramme = masse atomique (gr) / nombre d'électron
participant à la réaction
Capacité massique (théorique) = 26,8 Ah
/ valence gramme = Ah par gramme.
Unités:
FEM : Force électromotrice (Volts)
Energie: Watt heure
Capacité: Ampère heure
La
valeur de la tension est donnée par la formule
suivante:
FEM = Energié libérée / Capacité
Sachant que 1 Watt = 1 Ampère x 1 Volt
FEM = Wh / Ah = Volts
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Le
processus de décharge
Pendant
la décharge, la batterie est génératrice et débite du
courant dans le moteur de traction. Pour permettre l’apparition
d’un courant électrique, il est nécessaire que les électrons
et les ions puissent circuler ; un récepteur va permettre
la liaison entre l’électrode + et l’électrode -.
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Le
principe de fonctionnement pendant la décharge est le
suivant : le galvanomètre joue le rôle du récepteur
et le déplacement de son aiguille prouve le passage
du courant... La batterie se décharge... Il est rappelé
que l’intensité est proportionnelle à la quantité d’électrons
déplacés et à la quantité de matière mise en oeuvre.
Une batterie chargée possède un excès d’électrons à
sa plaque négative et un manque d’électrons à sa plaque
positive. Lorsque les deux plaques possèdent le même
nombre d’électrons, la batterie ne débite plus de courant
(on dit qu’elle est " à plat ").
Le
processus de charge
Pendant
la charge, la batterie est réceptrice du courant fourni
par le secteur. Le procédé est l’inverse de la décharge.
Un générateur de courant (dynamo, chargeur) est placé
aux bornes des électrodes et débite en sens inverse
dans le système. Il va permettre de déplacer les électrons
de la plaque positive vers la plaque négative et redonner
à la batterie son état initial.
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Pendant
la charge, le courant circule en sens inverse. Le galvanomètre
dévie dans le sens inverse à celui de la recharge. L’intensité
et la quantité de matière déplacée est toujours proportionnelle
au nombre d’électrons en mouvement. Lorsque la plaque
négative est en excès d’électrons, la batterie est rechargée.
L’utilisation du générateur électrochimique s’effectue
en deux phases, la charge et la décharge. À l’intérieur
de la batterie, l’énergie chimique se manifeste par un
transfert de matière grâce à une circulation d’ions. À
l’extérieur de la batterie, l’énergie électrique se manifeste
par un déplacement d’électrons. La réaction chimique fait
apparaître deux autres phénomènes gênants : un dégagement
de gaz et une montée en température.
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